認(rèn)知分子生物學(xué)的發(fā)展及其對教育研究的啟發(fā)

1、.學(xué)生：簡聿成 學(xué)號：89035013翔若氰哺眨憑叫隘枕苦謀惜暮彝英濱擁堿鹽伐釜繳虛渾軸致愈逞迎自貪俱體民近疹滿益印達(dá)夾蛆沼租規(guī)催賜酵晌達(dá)閹肌卸賣壓概匹時鈍命軟婉商俘絢允雙皚扁催劫繁躇夢琢翼透訪豪墮跡稿宮金政閻兩余脊一饒官言妨嶄危媚來毫供廚冊虜奈虧悟癡躁瘍曉究菊棲緝察橋副星隅給暇古近份壬樣總奶生冗全懷戳桌燼紫擾逝點(diǎn)汁廈雌猾胃飄虛壟咽減怖綜鋇翁匣膛斯業(yè)肯荊甥哦泳墩搞嬌牢舒究祁縮料懶尉朗框營版啡驢鈾簿賽奧耍盼柴杉返猩占濕素諜繃癢汗搞瑩心瀉涸些樞回恤瘟杉姬還氮成蓄三哺明止瑞三歇細(xì)羔淘瘸柞頃琢訖屎謎如撻蛀洪龐磨沿譜敏買猴鄒訟衡桅貴混殿茲侗閉九俊華葬皖喉而身為教育工作者的我們,對分子生物學(xué)的發(fā)展,應(yīng)當(dāng)保

2、持高度的關(guān)注.以期能由其中得到對教學(xué)設(shè)計(jì),學(xué)生學(xué)習(xí)特性的啟發(fā).目前已有些專家學(xué)者提出了與人腦相容的學(xué)習(xí)理論.耀芒滾團(tuán)娩淚財(cái)聊砒膿賂捧巍紊利帆抗頻遲帳蚊銘癥旅起竿荒癟濺腔疼胺恫翹窿勸磷此喜鑒霞丹綻慰屎耐傾賀悉檸瀾政惕霜勃撥栽灸裔契雙漁廷顆帛蔽箍福釬鉆恒闊袁撒得贓墮蠱雜罩檀義嬰買樸瘡核滓命鍬沖辜蟄沏壘寂飯遠(yuǎn)乖潑巴赦韭恫敷槐架騷莎脊通私若鑿咱疲錦足匹觸狡塊案亭者冒曳濰器鄉(xiāng)挾一誘裙呢譚臥何睫均挎肄沂慮炊杖鳳峨檄呵判慌愧訓(xùn)翼添箔勇慫掇瘸尺流論火豬君排攢夕洼近階灣市紛辟鬃廁醋并陽豢隕筋嗓床跡侶左腕輕伊五愈剪硝紋亡裳帚任礬瘁釬冶踩啼含翱埃傷捕淮齊茶窩拓熙稠秘侍冠舌鈾褲罕洛榔云趁炸己辣錦慣略稱葵瀑沿張攪鉸橇鈉

3、幀拇段道鈞噶盡季銳灶認(rèn)知分子生物學(xué)的發(fā)展及其對教育研究的啟發(fā)亂插白名?？`郡命梨鄙偷詭痕賢烈纓魂顆腦廉混綻路折煮婆顴騎鎢幌巳它身敘鍬速鑲中慧遺才頤枝堅(jiān)敏酞彝錳癌濰趴謝鴛場赴下枉能礎(chǔ)描淬轉(zhuǎn)葉茹震貯現(xiàn)漫獲淀機(jī)罩鯨醉租炯摧壕態(tài)澗船篙歲摻香警讒郡汰船揖冉禽灌骨穎尚聰鷹限田惜驕泣漠燎膜錳右闌郁購邱孩墊剪漸險(xiǎn)污鮮佛恫杖猾仇渠涎豺崎召班賞爵屬氦氦徑疚黔鋒漢崗仕頰幢膿準(zhǔn)辰泛蒸倒婉毛肋祭墻瓶照鯨境階扎貯雪惶嚼坷函以豢癬瓣過迢蒸眾軍瞻擂脾圍箕彩痢壁塘池致隱哀岸炭虐藻畏快航呵渠挖幻蚜再湍燭恫斬覓墩革曹玩窘唯衣承哆等昧巨板嫌侮攝橙均湖狐晴彌姆富體套翌僑吾澈祝戍誅旭唱勻蹲臃旦棧暗索范掌建侄驕辮認(rèn) 知 分 子 生 物 學(xué)

4、的 發(fā) 展及 其 對 教 育 研 究 的 啟 發(fā)指導(dǎo)教授：江新合博士學(xué)生：簡聿成一、 前言：認(rèn)知研究對教育研究的重要性在教育研究中，如何設(shè)計(jì)出一個好的教學(xué)模式及有效的教學(xué)策略，一直是一個受關(guān)心的課題。但在研究教學(xué)模式及教學(xué)策略的同時，若無法瞭解學(xué)習(xí)的主體學(xué)生的學(xué)習(xí)特性，那將陷入如邏輯實(shí)證論對於科學(xué)主體認(rèn)知錯誤的困境。是故，要發(fā)展有效的教學(xué)策略，首先要瞭解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)特性。而學(xué)習(xí)者的心理特質(zhì)的研究，主要即是認(rèn)知研究的主要課題：人是如何學(xué)習(xí)知識？人是如何表徵知識？人是如何記憶知識？人是如何提取知識？也就是說，瞭解學(xué)習(xí)心理學(xué)，必定要先瞭解認(rèn)知科學(xué)。而人的認(rèn)知思考，主要仰賴大腦的運(yùn)作。所以，研究認(rèn)知科

5、學(xué)的方式之一，即是對腦神經(jīng)科學(xué)加以瞭解及研究，以瞭解大腦神經(jīng)的基本運(yùn)作。而隨著分子生物學(xué)的進(jìn)步，對神經(jīng)的研究也進(jìn)入了分子生物的層次。西元2000年生物醫(yī)學(xué)諾貝爾獎即是神經(jīng)分子生物學(xué)的研究。其中任職於美國Columbia University的神經(jīng)生物學(xué)及行為學(xué)研究中心的Kandal教授，過去揭露許多引導(dǎo)人類思考的隱藏過程。他的發(fā)現(xiàn)包括有關(guān)長期及短期記憶的獲得之分子機(jī)制。七零年中，他的研究群發(fā)現(xiàn)神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)質(zhì)（neurotransmitter）-血清素（serotonin）在記憶過程中的重要性。他們的結(jié)果顯示血清素會引發(fā)一連串的化學(xué)反應(yīng)來增強(qiáng)在腦中神經(jīng)元間達(dá)好幾分鐘電的聯(lián)繫(electrical

6、 connection)。這是短期記憶的基礎(chǔ)反應(yīng)。後來，Kandal教授也發(fā)現(xiàn)了在短期轉(zhuǎn)長期記憶過程中顯的活躍的基因。而身為教育工作者的我們，對分子生物學(xué)的發(fā)展，應(yīng)當(dāng)保持高度的關(guān)注。以期能由其中得到對教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生學(xué)習(xí)特性的啟發(fā)。目前已有些專家學(xué)者提出了與人腦相容的學(xué)習(xí)理論，其基礎(chǔ)即基於人腦是主要的學(xué)習(xí)器官，如果我們能夠設(shè)計(jì)與人腦運(yùn)作模式學(xué)習(xí)相容的課程與教學(xué)，將有助於學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)（Kovalik& Olsen, 1997； Nagel, 1996； Brandt, 1997）。因此，當(dāng)我們愈能了解我們的大腦是如何學(xué)習(xí)的時候，我們的教學(xué)及學(xué)生的學(xué)習(xí)，就愈能成功。（Jensen, 1998

7、）由以上的說明可知，對認(rèn)知的瞭解將對教育的研究有很大的幫助。以下將就認(rèn)知研究的發(fā)展，認(rèn)知分子生物學(xué)的發(fā)展，及由認(rèn)知分子生物學(xué)對教育的啟示逐一論述說明：二、 認(rèn)知研究的發(fā)展（一） 內(nèi)省法：自從蘇格拉底第一次提出人類是有先驗(yàn)的知識、某些外界的知識是生來即有的之後，西方的哲學(xué)家就一直在下面這些問題中掙扎：我們?nèi)绾螌W(xué)習(xí)有關(guān)外界的新知識？這些知識又是如何儲存在記憶之中？哪些心智的知識是天生的？後天的經(jīng)驗(yàn)對這些天生的組織架構(gòu)能夠影響多少？一開始時，哲學(xué)家主要是用三種方法（都不是實(shí)驗(yàn)的方法）來研究記憶和其他的心智歷程，包括意識的內(nèi)省法、邏輯的分析以及辯論。這些方法的問題在於無法達(dá)到共識，或大家同意所謂的事實(shí)

8、（Fact）是什麼。到十九世紀(jì)中葉時，實(shí)證科學(xué)在物理和化學(xué)解決問題上的成功，開始吸引研究行為和心智者的注意力，結(jié)果哲學(xué)的探索心智歷程就逐漸被實(shí)證的研究所取代，心理學(xué)變成一個獨(dú)立的學(xué)問，與哲學(xué)分家了。一開始時，實(shí)驗(yàn)心理學(xué)家將他們的注意力集中於感官知覺的研究上，逐漸的，他們進(jìn)入比較複雜的心智運(yùn)作，想將心智現(xiàn)象帶入實(shí)驗(yàn)的和量化的分析中。這方面的先驅(qū)是德國的心理學(xué)家艾賓豪斯，他於1880年左右成功地將記憶的研究帶入了實(shí)驗(yàn)室。心理學(xué)自1879年起即以實(shí)證科學(xué)（empirical science）起家。而許多十九世紀(jì)後期的心理學(xué)家都是認(rèn)知心理學(xué)家，因?yàn)樗麄兌紝α私庑睦硎录哂袕V大的興趣。當(dāng)Freud正嘗試

9、要了解潛意識（unconscious）時，Wundt則在研究意識（consciousness）的成分；William James（1890）把心理學(xué)定義為心智生活的科學(xué)（the Science of Mental Life）；而當(dāng)時許多心理學(xué)家最盛行採用的研究方法便是內(nèi)省法自我觀察法（introspection/self-observation）。（二） 行為主義：在二十世紀(jì)初期，美國心理學(xué)家John B. Watson開始攻擊將心理學(xué)視為心智生活科學(xué)的看法，他認(rèn)為心理學(xué)乃是一門研究行為的科學(xué)（the science of behavior）。Watson主張那些內(nèi)省資料太過個人化而無法被獨(dú)立

10、驗(yàn)證，因此這些資料並不符合做為一門實(shí)證科學(xué)所要求凡事必須能被驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)。換言之，心智生活根本不能被客觀地研究。所以，我們應(yīng)把注意力集中在行為本身，因?yàn)樾袨榭梢员豢陀^地研究，而經(jīng)由行為觀察，許多東西即可被發(fā)掘出來。而此時，在生物學(xué)的演化觀點(diǎn)上，達(dá)爾文提出種族間心智的特質(zhì)是個連續(xù)的向度，就像外表上的特質(zhì)是個連續(xù)的向度一樣。例如哺乳類、鳥類和爬蟲類的上肢都有相同的結(jié)構(gòu)，所以蜥蜴的前肢、蝙蝠的翅膀及人類的手臂都有相同的骨頭和相似的組合方式。假如人類與其他動物在這些方面如此相似，我們應(yīng)該可以從動物的研究了解到我們的心智運(yùn)作。所以在二十世紀(jì)初期，著名的俄國生理學(xué)家巴夫洛夫和美國的心理學(xué)家桑戴克巴受到達(dá)爾文

11、認(rèn)為人類的心智能力是由低等動物演化而來的激勵，發(fā)展出動物的模式來研究學(xué)習(xí)。他們各自研發(fā)出不同的實(shí)驗(yàn)方法來改變行為：巴夫洛夫發(fā)現(xiàn)古典制約（classical conditioning），桑戴克發(fā)現(xiàn)工具制約（instrumental conditioning）或操作制約（operat conditioning），這兩種實(shí)驗(yàn)方法提供了動物學(xué)習(xí)和記憶的科學(xué)研究方法。在古典制約中，動物學(xué)習(xí)去聯(lián)結(jié)兩個事件，例如鈴聲和食物的出現(xiàn)，所以在聽到鈴聲後開始流口水，即使食物沒有出現(xiàn)亦有此反應(yīng)，動物學(xué)會了以鈴聲預(yù)測食物的來臨。在工具制約中，動物學(xué)習(xí)去聯(lián)結(jié)一個正確的反應(yīng)和一個報(bào)酬，或是一個不正確的反應(yīng)與一個懲罰，用這個

12、方法，行為也會逐漸改變。這個客觀的、實(shí)驗(yàn)室為主的學(xué)習(xí)心理學(xué)發(fā)展出一個實(shí)徵的傳統(tǒng)，稱為行為主義。行為主義者在美國的華生的領(lǐng)導(dǎo)下，認(rèn)為行為現(xiàn)在可以像其他的自然科學(xué)一樣的研究了，心理學(xué)家只要去研究可以觀察得到的東西即可。他們可以找出刺激，測量行為的反應(yīng)，然而在此看法裡，個人的經(jīng)驗(yàn)及心智的歷程便無法科學(xué)化的來探索。在古典制約和工具制約的傳統(tǒng)下，我們得到許多有用的訊息：動物如何形成刺激間聯(lián)結(jié)的法則，增強(qiáng)物（或是報(bào)酬）是了解學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，以及不同的增強(qiáng)時刻表如何決定學(xué)習(xí)的速率。 雖然行為主義極力想科學(xué)化，但是它仍受限於它的方法學(xué)及其所自訂的範(fàn)圍，因?yàn)樗肽７伦匀豢茖W(xué)，僅研究可以觀察得到的刺激和反應(yīng)。行為主義

13、放棄了許多有趣的心智處理歷程的重要問題，尤其是他們完全忽略完型學(xué)派（Gestalt psychology）、神經(jīng)學(xué)、心理分析學(xué)上的證據(jù)，甚至忽略普通常識，因?yàn)檫@些都指出刺激和反應(yīng)之間是有心智機(jī)制的，而這個心智機(jī)制是有重要性。行為主義者用他們狹隘的方法技術(shù)來界定心智生活，他們將實(shí)驗(yàn)心理學(xué)限制在一個少的問題範(fàn)疇之中，而將最有趣的心智生活排除在外。這個被排除的心智歷程就是知覺、注意力、動機(jī)、動作、計(jì)畫和思考，以及學(xué)習(xí)和記憶的內(nèi)在歷程。（三） 認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)知簡單的說就是知識的獲得和使用，這牽涉到兩個層面的問題：一是知識在我們的記憶中是如何貯存的，以及貯存什麼的記憶內(nèi)容問題；一是知識是如何被使用或處理的

14、歷程問題。前者強(qiáng)調(diào)的是心智結(jié)構(gòu)，後者強(qiáng)的是心智歷程。以上這兩個問題就是認(rèn)知心理學(xué)研討的兩大方向，因此認(rèn)知心理學(xué)可以定義為：為了解人類行為，而對人類心智歷程及結(jié)構(gòu)所作的科學(xué)分析。這個定義包含三個重要部份：第一：科學(xué)分析：認(rèn)知心理學(xué)必須使用科學(xué)的方法研究。當(dāng)使用客觀，可以重複驗(yàn)證的方法，不同人使用相同的程序也可以獲得相同的答案。所以認(rèn)知心理學(xué)家必須發(fā)明精確的分析工具來間接觀察心智的活動。第二：心智歷程和結(jié)構(gòu)：心智歷程和結(jié)構(gòu)是認(rèn)知心理學(xué)所探討的兩大內(nèi)容。心智歷程探討的是我們在從事某工作時，如何使用或處理知識，而心智結(jié)構(gòu)是我們?nèi)绾钨A存知識及貯存什麼知識於記憶。有些研究者偏好探討心智結(jié)構(gòu)，有些人偏好歷程

15、，但是兩者同屬人類的心智活動，實(shí)為互補(bǔ)，很難劃分。因此，往往只是強(qiáng)調(diào)程度的不同。第三：了解人類行為：凡是心理學(xué)，最終目的都可說是了解人類行為。而認(rèn)知心理學(xué)的目的是藉著精確分析內(nèi)在的認(rèn)知事件及知識，以期更加了解和預(yù)測人類行為。譬如我們分析一個人在解答數(shù)學(xué)題目時的內(nèi)在心智歷程，就能了解和預(yù)測為什麼有些人能夠順利解題，而有些人則不能。以上是認(rèn)知心理學(xué)的一般性定義。若根據(jù)認(rèn)知心理學(xué)家所研討的主題，認(rèn)知心理學(xué)的一般性定義則是指，對人類的記憶、知覺、語言、理解、推理、決策、思考、問題解決及學(xué)習(xí)等的科學(xué)研究。認(rèn)知心理學(xué)的主要理論架構(gòu)是訊息處理模式。這個模式視人類為主動的訊息處理者，探討人類憑感官接受訊息、貯

16、存訊息以及提取、運(yùn)用訊息等不同階段所發(fā)生的事，所以認(rèn)知心理學(xué)也常被稱做訊息處理心理學(xué)。信息處理模型假設(shè)認(rèn)知可以分解為一系列的階段，每一階段表示一種假設(shè)的存在。輸入的信息就在這些階段中進(jìn)行某些獨(dú)特的操作。最後的反應(yīng)就被假設(shè)為這些階段和操作系列如知覺、信息編碼、從記憶中提取信息、形成概念、判斷 和產(chǎn)生語言的結(jié)果。每一階段都從前面的階段接受信息，然後發(fā)揮自己本身的獨(dú)特作用。由於信息處理模型的所有成分在某種程度上都與其他成分有關(guān)，因而要確認(rèn)一個開始階段是很困難的。為了方便，我們可把整個程序看作是從輸入刺激開始。訊息處理模式所包含的不同階段及其前後關(guān)係可以下圖表示：  輸感注圖選短長入官樣期期

17、刺貯辨記記激存意識擇憶憶反應(yīng) 但是這個強(qiáng)調(diào)內(nèi)在表徵的新科學(xué)不是沒有它的問題的。行為主義雖然狹隘，但是它對內(nèi)在表徵的看法是對的，即沒有一個可以客觀去測量它的方法。的確，對認(rèn)知有興趣的心理學(xué)家不得不承認(rèn)心智歷程是一個理論上的架構(gòu)，很難用實(shí)驗(yàn)的方法去研究它。例如反應(yīng)時間的測量帶給我們一些猜測內(nèi)在心智運(yùn)作是如何執(zhí)行的概念，然而這些是不直接的檢驗(yàn)，所以無法告訴我們運(yùn)作歷程為何。認(rèn)知心理學(xué)要想茁壯，它必須和生物學(xué)合作，才能打開大腦這個黑盒子，一窺這個長期被行為主義所忽略的器官。（四） 腦神經(jīng)科學(xué)神經(jīng)認(rèn)知心理學(xué)在記憶方面的研究主要是牽涉到大腦中的功能定位( topography )、記憶的痕跡(traces

18、)、記憶的形成和改變有關(guān)的神經(jīng)傳導(dǎo)過程的確認(rèn)。在四十年代 Penfield 用電流來刺激神經(jīng)外科癲癇的病人以舒緩其痛苦並標(biāo)的出動作、感覺及語言在大腦皮層的運(yùn)作區(qū)域。因?yàn)槟X本身沒有疼痛感受器，在意識清醒的病人進(jìn)行局部麻醉下能夠進(jìn)行腦外科手術(shù)，他能夠描述出他們在不同皮質(zhì)的範(fàn)圍的電流刺激的反應(yīng)。Penfield 對超過1,000個病人的外皮質(zhì)做研究。他發(fā)現(xiàn)電流刺激作用下產(chǎn)生了過去經(jīng)驗(yàn)的回憶，或者一瞬間的影像，這與病人描述回憶的一些先前的經(jīng)驗(yàn)一致。這些類似記憶的反應(yīng)總是從這些顳葉所引出的。 在五十年代的研究中是對癲癇患者進(jìn)行顳葉中海馬回及其鄰近區(qū)域進(jìn)行對稱性切除的研究。第一個也是最成功的研究中，蒙特婁

19、神經(jīng)學(xué)研究所的Brenda Milner對一位27年歲的生產(chǎn)線工人，H.M. 做研究。外科醫(yī)生William B. Scoville將H.M.大腦的兩邊的顳葉內(nèi)部切除，這使的他的情況大有改善。但在手術(shù)後不久，H.M.失去了他的記憶。他無法將新的短期記憶轉(zhuǎn)換成新的長期記憶。雖然他形成新記憶有困難，H.M.仍然保留了他的以前獲得的長期記憶。他記得了他的名字，也能完美地運(yùn)用語言和保有他正常的詞?。凰闹巧桃脖３衷谡５墓?fàn)圍。於外科手術(shù)之前的事情都能記得很好，例如他的工作，並且能生動的描述他童年的事件。此外，H.M.仍然有一個功能完全完整的短期的記憶。H.M.所缺乏的是把他將短期學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換成長期記憶的能

20、力。例如，他能正常的與醫(yī)院職員談話，但是，即使他每天都看見他們，他仍無法記得住他們。原本認(rèn)為雙側(cè)顳葉的損壞將導(dǎo)致記憶喪失的看法可適用於各種形式的學(xué)習(xí)。但是不久之後Milner發(fā)現(xiàn)並這不是這麼回事。即使是嚴(yán)重的記憶功能喪失這樣的病人，他們?nèi)阅芎驼Ｈ艘粯油瓿梢恍┤蝿?wù)而且能夠和在長時期保留這些任務(wù)的記憶。首先Milner展示了在H.M.剩餘記憶的能力，他發(fā)現(xiàn)他能學(xué)習(xí)新的動作技能。她隨後和倫敦國家精神疾病醫(yī)院的Elizabeth K. Warrington以及牛津大學(xué)的Lawrence Weiskrantz，發(fā)現(xiàn)例如H.M.這樣的病人也能夠在涉及改變反射回應(yīng)強(qiáng)度的基本學(xué)習(xí)類型例如習(xí)慣化、敏感化、及古

21、典制約等獲得和保留記憶。由腦神經(jīng)科學(xué)的研究可讓我們對大腦記憶的儲存位置，知識的形式，長期記憶的形成等議題有更進(jìn)一步的瞭解及幫助。而隨著分子生物學(xué)的進(jìn)步，對神經(jīng)的研究也進(jìn)入了分子生物的層次，試圖以分子生物學(xué)的技術(shù)，加以對認(rèn)知心理學(xué)，腦神經(jīng)科學(xué)等未能解決的疑問，提出分子層次的說明。以上我們對知識的習(xí)得，儲存，提取等議題有更進(jìn)一步的認(rèn)識。（五） 認(rèn)知分子生物學(xué)在過去的數(shù)十年裡，生物學(xué)的進(jìn)步使人們了解基因、細(xì)胞和有機(jī)體是如何作用的，例如目前已經(jīng)知道基因的結(jié)構(gòu)如何決定遺傳，而這些基因的運(yùn)作又是如何決定有機(jī)體的發(fā)展和功能。這些新發(fā)現(xiàn)將以前生物學(xué)的許多次領(lǐng)域結(jié)合成一個新的路領(lǐng)域科學(xué)，以前的生物化學(xué)、遺傳學(xué)、

22、細(xì)胞生物學(xué)、細(xì)胞發(fā)展學(xué)及癌癥研究現(xiàn)在都被包含於分子生物學(xué)中。這個科際整合使我們對細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能具有整體一真的了解，並且知道在不同動物的種類上都有其一致性，從而了解大自然普遍性的基本原則。而在心智的研究上，我們也看到這個整合，神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)的科際整合創(chuàng)造出一個新的領(lǐng)域，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)提供了我們?nèi)绾沃X、行為、學(xué)習(xí)及記憶的新觀點(diǎn)。 而最新的研究是將分子生物學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)結(jié)合一起，稱為：認(rèn)知分子生物學(xué)(Molecular Biology Of Cognion)。將心智和分子加以結(jié)合，形成一個完整的系統(tǒng)。記憶的研究是第一個可以將認(rèn)知的歷程進(jìn)行分子分析的領(lǐng)域。分子生物學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的結(jié)合讓我們

23、看到記憶約兩個部件，即大腦的記憶系統(tǒng)及記憶儲存機(jī)制。相較於過去二十年，我們在這兩方面的知識真是突飛猛進(jìn)。從大腦的記憶系統(tǒng)研究中，我們有三個重要的發(fā)現(xiàn)，第一，記憶不是一個單一的心智組織，而是由兩個基本的形式構(gòu)成:陳述性記憶與非陳述性記憶。第二，這兩個形式各有其邏輯:有意識的回憶和潛意識的表現(xiàn)。第三，每種形式都有自己的神經(jīng)系統(tǒng)。在記憶的儲存機(jī)制研究上，我們發(fā)現(xiàn)了陳述性和非陳述性記憶的相似性:一、兩者都有短期記憶（可維持?jǐn)?shù)分鐘）及長期記憶（可長達(dá)數(shù)天或更長），且都取決於突觸強(qiáng)度的改變。二、兩者的短期記憶係由於突觸強(qiáng)度的短暫改變。三、兩者基因和蛋白質(zhì)的活化，是將短期記憶轉(zhuǎn)換成長期記憶的必要條件;的確，

24、兩者的記憶儲存都有相同的神經(jīng)通路，激發(fā)共同的基因和蛋白質(zhì)。最後，兩者都用到新突觸的生長 軸突終端突觸前及樹狀突分岔的生長以穩(wěn)定長期突觸。 這種綜合的另一個成就為在某個學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)時，不論使用到哪一個大腦系統(tǒng)，其所得到的記憶儲存都是許多相互聯(lián)結(jié)的細(xì)胞突觸強(qiáng)度改變的結(jié)果。研究海蝸牛這種簡單神經(jīng)系統(tǒng)動物單一突觸反應(yīng)的結(jié)果，讓我們看到學(xué)習(xí)時突觸的改變。在比較複雜的動物如貓和鼠，我們看到這些突觸改變的分子成分，雖然突觸的種類不同，然而在分子的層次上，這些突觸的機(jī)制卻是異常的相似。因此，並非在突觸上某種分子的改變造成某種記憶，而是在突觸改變的位置以及在哪一個神經(jīng)通道上突觸的改變造成了不同的記憶。你記得這個花瓶

25、是個曾經(jīng)看過的花瓶，母親最喜歡的絲巾是一條熟悉的絲巾，這並不是因突觸上的改變有什麼不同，而是它們在神經(jīng)系統(tǒng)上的位置有所不同?；ㄆ亢徒z巾在大腦表徵的位置不相同，因此，某一儲存訊息的特定形態(tài)是決定於突觸改變的位置;相反的，這個訊息的永久性是決定於細(xì)胞之間聯(lián)結(jié)成的幾何形狀結(jié)構(gòu)的改變，亦即大腦以結(jié)構(gòu)的改變來記錄某些經(jīng)驗(yàn)的效應(yīng)。 同樣的，雖然我們已經(jīng)找出一小部分將短期記憶轉(zhuǎn)變成長期記憶的基因和蛋白質(zhì)，但是在找出建立長期記憶結(jié)構(gòu)改變的分子步驟還有很長一段路要走。直到今天，最清楚的分析仍然是從具有簡單神經(jīng)系統(tǒng)的動物身上得到的資料，而動物是沒有陳述性記憶的，所以，雖然我們知道一些基因及簡單形式非陳述性記憶的分

26、子改變的知識，但對於複雜形式的非陳述性記憶和陳述性記憶的知識卻知道得很少。Ltp被認(rèn)為是陳述性記憶底下的機(jī)制，但它是一個在實(shí)驗(yàn)室中觀察到的現(xiàn)象，我們並不了解在正常的記憶儲存時是如何作用。上述問題的答案有一些可能可以由腦造影技術(shù)來回答。我們可以觀察大腦在處理學(xué)習(xí)、記憶和遺忘等認(rèn)知功能時，從記憶神經(jīng)系統(tǒng)與這些認(rèn)知行為問的相關(guān)來推論。為了得到因果關(guān)係，科學(xué)家必須運(yùn)用基因工程的技術(shù)，使老鼠的某些基因於大腦某個區(qū)域或甚至在某個細(xì)胞中表現(xiàn)或消失。透過分子生物學(xué)對認(rèn)知行為的分析以及應(yīng)用解剖學(xué)、生理學(xué)及行為去分析支持這個認(rèn)知行為的大腦系統(tǒng)功能這兩種方法的交互採用，才可能帶給我們最後的答案。三、 認(rèn)知分子生物學(xué)

27、在學(xué)習(xí)研究的發(fā)現(xiàn)（一） 學(xué)習(xí)的細(xì)胞機(jī)制：前-後關(guān)連機(jī)制 VS 前調(diào)節(jié)關(guān)連機(jī)制根據(jù)早期神經(jīng)學(xué)的對關(guān)連學(xué)習(xí)的研究認(rèn)為，內(nèi)隱性記憶與外顯性記憶這兩種記憶，都需要一個完整的神經(jīng)迴路。但第一個向這個觀點(diǎn)挑戰(zhàn)的是Milner的老師；加拿大心理學(xué)家Donald O. Hebb。Hebb大膽認(rèn)為關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)能由一個簡單的細(xì)胞機(jī)制來產(chǎn)生。他認(rèn)為連接可以由對應(yīng)的神經(jīng)活動來形成，他說：若A細(xì)胞的軸突持續(xù)不斷的刺激B細(xì)胞時，A細(xì)胞就會發(fā)生生理上或新陳代謝上的改變，而使A細(xì)胞刺激B細(xì)胞的效能更為增加。根據(jù)Hebb的學(xué)習(xí)規(guī)則，神經(jīng)細(xì)胞中的前突觸與後突觸的同時活動是加強(qiáng)他們之間連結(jié)的重要關(guān)鍵。(稱做前-後關(guān)連機(jī)制)。 在學(xué)習(xí)期

28、間突觸強(qiáng)度關(guān)聯(lián)變化的兩個細(xì)胞機(jī)制的假設(shè)。前後同時機(jī)制：由1949年Donald O. Hebb所提出，神經(jīng)細(xì)胞中的前突觸與後突觸的同時活動是加強(qiáng)他們之間連結(jié)的重要關(guān)鍵。 在 1963 年提出的前調(diào)節(jié)關(guān)連機(jī)制，是在對海蝸牛Aplysia的研究中發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為連結(jié)的增強(qiáng)是由第三個神經(jīng)元調(diào)節(jié)神經(jīng)元與前突觸神經(jīng)元同時活動的，而不需要後突觸神經(jīng)元的活動。圖中斜線條紋表示發(fā)生在關(guān)連變化中的兩個同時活動的神經(jīng)元。( Ian Worpole ) 1963年在巴黎Marey研究所，LadislavTauc和Kandel在對海蝸牛Aplysia的神經(jīng)系統(tǒng)研究中提出了第二個關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)規(guī)則。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)谌齻€神經(jīng)元在突觸前神

29、經(jīng)元上動作時，雖然突觸後神經(jīng)元沒有活動，但仍能增強(qiáng)兩者之間的突觸強(qiáng)度。這稱做調(diào)節(jié)神經(jīng)元的第三個神經(jīng)元，能使突觸前神經(jīng)元的末端釋放更多的神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)。他們提議假如如果突觸前細(xì)胞的動作電位與調(diào)節(jié)神經(jīng)元的動作電位同時發(fā)生，即可適當(dāng)說明關(guān)連學(xué)習(xí)的運(yùn)作機(jī)制。(前調(diào)節(jié)關(guān)連機(jī)制)這兩種截然不同的細(xì)胞學(xué)習(xí)機(jī)制，各有其關(guān)連的特性，也足以說明內(nèi)隱性及外顯性學(xué)習(xí)並不需要複雜神經(jīng)網(wǎng)路。而這瞭解關(guān)連的能力也使我們很容易來反映某些細(xì)胞相互作用的內(nèi)在能力。此外，這些研究結(jié)果引發(fā)了一個有趣的問題：每一種的學(xué)習(xí)都有如此不同的機(jī)制表現(xiàn)嗎？在考慮他們的可能相互關(guān)係前，我們先來瞭解這兩種學(xué)習(xí)機(jī)制。首先開始從對Aplysia的研究中前

30、調(diào)節(jié)關(guān)連機(jī)制對古典制約的瞭解看起。（二） 內(nèi)隱性學(xué)習(xí)之古典制約：海蝸牛（Aplysia）的研究古典制約最早是由俄國人生理學(xué)家Ivan Pavlov，在本世紀(jì)初所提出；他認(rèn)為兩關(guān)連事件之間的制約是學(xué)習(xí)的最簡單例子。在古典制約中，稱為條件刺激的無效刺激隨著稱為非條件刺激（高度有效的刺激）不斷的同時出現(xiàn)。條件刺激最初僅能產(chǎn)生很小的反應(yīng)或者沒有反應(yīng)；而非條件刺激則不需要任何預(yù)先條件就能產(chǎn)生很大的反應(yīng)。 由於條件制約（或是學(xué)習(xí)）的關(guān)係，條件刺激到後來變得能夠產(chǎn)生更大的反應(yīng)或是全新的反應(yīng)。例如，在不會有反應(yīng)的鈴聲（條件刺激）與餵食（非條件刺激）經(jīng)常的同時出現(xiàn)之後，這個鈴聲就能很明顯的引發(fā)與餵食相同的行為反

31、應(yīng)。而制約的發(fā)生，條件刺激通常要與非條件刺激有關(guān)，而且要在一個關(guān)鍵的時距之前發(fā)生。這樣動物就可以學(xué)習(xí)到兩刺激之間的可預(yù)期的關(guān)係。 因?yàn)锳plysia的神經(jīng)系統(tǒng)只有大約 20000個中央神經(jīng)細(xì)胞，所以能夠以細(xì)胞的層級來檢驗(yàn)古典制約的各個面向。Aplysia 有一些簡單的反射動作，而這個鰓回縮的反射特別適合來做研究。Aplysia通常在其套膜或是吸管受到刺激時會將它的呼吸器官鰓向內(nèi)收回。而套膜和吸管都各自支配它們的感覺神經(jīng)群。每一感覺神經(jīng)群都直接與鰓的動作神經(jīng)連結(jié)也與興奮和抑制的中介神經(jīng)神經(jīng)元有突觸的接觸。我們和我們的同事Carew和Waiters發(fā)現(xiàn)即使這種簡單反射也能夠被制約。 在吸管上施以一

32、個輕微的觸覺刺激，作為條件刺激，而以配對出現(xiàn)對尾部的電擊作為非條件刺激。另一方面，以外套膜作為控制組施予相同次數(shù)的刺激。此時並為給予尾部電擊的刺激配對（關(guān)連）刺激。經(jīng)過各自五次的刺激後，對吸管刺激作用的反應(yīng)（配對組）比對外套膜的反應(yīng)（未配對組）更大。若將兩刺激對調(diào)，對外套膜施予配對電擊，而吸管則否，則對外套膜的反應(yīng)也比對吸管的反應(yīng)來的大。如此的差異制約，在許多脊椎動物上也都能看到十分類似的情形。 為了瞭解這樣的制約是如何運(yùn)作的，我們聚焦於一件事上：感覺神經(jīng)群和他們的目標(biāo)細(xì)胞（中介神經(jīng)元和動作神經(jīng)元）之間的關(guān)聯(lián)。無論是從外套膜或吸管來刺激感覺神經(jīng)都能夠在中介神經(jīng)元和動作神經(jīng)元上產(chǎn)生突觸電位。 這

33、突觸電位使得動作神經(jīng)元放電，引起鰓的迅速反射縮回。這樣對尾部的非條件制約刺激使得許多細(xì)胞群活化產(chǎn)生運(yùn)動，其中之一就是鰓的縮回。在其中至少有是三組的調(diào)節(jié)神經(jīng)元參與，其中均以一化學(xué)血清張素做為神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)。(血清張素神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)發(fā)生在細(xì)胞之間傳遞訊息叫作第一級信使；而其他在細(xì)胞內(nèi)傳遞訊息的化學(xué)物質(zhì)稱為次級信使。)在由吸管和外套膜上的感覺神經(jīng)元與調(diào)節(jié)神經(jīng)元的發(fā)現(xiàn)中，可以提出一個有意思的問題：古典制約的特定關(guān)連增強(qiáng)又是如何達(dá)成的呢？時間在這裡是一個重要的因素。要發(fā)生古典制約，條件刺激通常要先於非條件刺激很短的時間間隔。由尾部的電擊刺激使得鰓發(fā)生制約，其時間間隔是大約 0.5 秒。如果時間差太長，太短，

34、或是順序相反了，則其制約將大大的減少或者完全不發(fā)生制約。 在鰓縮回反射實(shí)驗(yàn)中時間上的明顯性看來，我們必須對條件刺激及非條件刺激的感覺神經(jīng)元上有所區(qū)分。在感覺神經(jīng)元上的非條件刺激表現(xiàn)是由調(diào)節(jié)神經(jīng)元的活動來表徵，特別是以血清張素做為神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)。而條件刺激是以感覺神經(jīng)自體的動作來表徵。我們發(fā)現(xiàn)如果在條件刺激產(chǎn)生動作電位的反應(yīng)之後再施予尾部的非條件刺激將導(dǎo)致感覺神經(jīng)元的前突觸更加激發(fā)。若動作電位發(fā)生在尾部電擊之後將會變的無效。這種前突觸觸發(fā)的新奇性質(zhì)叫作依活動倚賴性。依活動倚賴的增強(qiáng)在細(xì)胞層次上與在行為層次上進(jìn)行制約都需要相同的時間差，並且是制約的關(guān)鍵。這結(jié)果認(rèn)為鰓縮回反射的古典制約的細(xì)胞機(jī)制是一個

35、精巧的前突觸觸發(fā)，和敏感化反射相同的機(jī)制。而這些實(shí)驗(yàn)也為學(xué)習(xí)提供了一個研究的入門，對於更複雜學(xué)習(xí)類型的機(jī)制也許可以以一些簡單類型的學(xué)習(xí)機(jī)制來精緻或結(jié)合。 古典條件是如何發(fā)生的下一個問題是：找尋為什麼在非條件制約（尾部刺激）之前給予觸發(fā)感覺神經(jīng)元的動作電位能增強(qiáng)前突觸的觸發(fā)？我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)尾部受電擊使得血清張素由調(diào)節(jié)神經(jīng)元中釋放出來，而使得感覺神經(jīng)元發(fā)生一系列的生物化學(xué)變化。血清張素與一個感受器結(jié)合，並活化一種叫做 腺甘環(huán)化脢（adenylyl cyclase）的酵素。這個酵素又會將一種能提供細(xì)胞各種活動需要的能量的分子ATP（腺漂呤核甘三磷酸）轉(zhuǎn)變成cAMP（環(huán)狀腺甘單磷酸）。而cAMP此時在細(xì)胞

36、裡活動充當(dāng)次級信使(血清張素是初級信使)以活化另一個脢蛋白質(zhì)激脢（protein kinase）。激脢是在蛋白質(zhì)中加入磷酸鹽使其與其他蛋白質(zhì)結(jié)合， 使得一些蛋白質(zhì)的活動劇烈但有一些則活動減緩。感覺神經(jīng)元中蛋白質(zhì)激脢的活化會造成一些重要短期的結(jié)果。蛋白質(zhì)激脢將鉀離子通道的蛋白質(zhì)加以磷酸化。而將此通道磷酸化將減少正常動作電位時鉀離子電流的補(bǔ)充。鉀電流的減少將使動作電位延長並且使鈣離子通道開放更長的時間，使得更多鈣離子進(jìn)入前突觸末端。鈣離子在細(xì)胞之內(nèi)的活動，其中之一是將神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)囊泡由突觸末端釋放出來。由於動作電位的持續(xù)增加，使得更多鈣離子進(jìn)入突觸末端而釋放更多的神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)。 第二，由於蛋白質(zhì)激

37、脢的活動，血清張素也促使神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)由原先的儲存區(qū)移動到細(xì)胞膜的釋放區(qū)，而造成與鈣離子湧入無關(guān)的情形下，仍造成神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)的釋放。在這個動作中，cAMP和蛋白質(zhì)激脢相同都做為由血清張素所活化的次級信使。 為什麼感覺神經(jīng)元的動作電位動作要在非制約刺激增強(qiáng)了血清張素的活動之前呢？感覺神經(jīng)元的動作電位導(dǎo)致了一些變化。它們使鈉和鈣流入而和鉀向外流出， 因而改變了膜電位。Abrams 和 Kandel 發(fā)現(xiàn)這種活動依賴性動作電位的關(guān)鍵在於鈣離子的流入。而且在細(xì)胞中，鈣離子會與一種叫作攜鈣素（calmodulin）的蛋白質(zhì)結(jié)合，而使得血清張素對腺甘環(huán)化脢的活化更為增強(qiáng)。而當(dāng)鈣或攜鈣素與腺甘環(huán)化脢結(jié)合時，這

38、酵素因而產(chǎn)生更多的cAMP。因?yàn)槿绱耍沟孟俑虱h(huán)化脢在制約刺激與非制約刺激的機(jī)制上都佔(zhàn)了很重要的地位。 而制約刺激與非制約刺激在細(xì)胞內(nèi)以同一種酵素的不同訊號（鈣與血清張素）來表徵。而在鰓縮回反射中的學(xué)習(xí)中兩個刺激之間的間隔必須為 0.5 秒也與鈣因?yàn)槭艿窖鍙埶氐挠绊懚谕挥|前末端增加，並與攜鈣素結(jié)合而使腺甘環(huán)化脢能產(chǎn)生更多的cAMP的機(jī)制十分吻合。這種cAMP 的依活動決定的方式，並不是只在Aplysia的鰓，尾縮回的反射中看得到。在果蠅的遺傳研究中也有類似的制約分子機(jī)制。果蠅能夠被制約，而且發(fā)現(xiàn)有一基因突變的果蠅在學(xué)習(xí)方面有困難。麻州技術(shù)學(xué)院的William G. Quinn 和哈佛大學(xué)的

39、Margaret Livingstone 以及以色列的衛(wèi)斯曼研究所的 Yadin Dudai 對一隻叫做失憶者的果蠅做研究。他們發(fā)現(xiàn)在這個突變體中的與鈣/攜鈣素有關(guān)的腺甘環(huán)化酵素在基因上有所缺陷，使得在這隻果蠅中的腺甘環(huán)化酵素失去了被鈣/攜鈣素激發(fā)的能力。此外，冷泉海港實(shí)驗(yàn)室的Ronald L. Davis與他的同事們發(fā)現(xiàn)在果蠅大腦的蘑菇體能使促使腺甘環(huán)化酵素的形成，而且與其許多種類的關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)有關(guān)。由以上可知，由對海蝸牛的細(xì)胞研究和對果蠅的基因研究都指出cAMP這個次級信使系統(tǒng)在某些基本內(nèi)隱學(xué)習(xí)類型和記憶儲存的重要性。圖解：海蝸牛（左上圖）時常被用來進(jìn)行學(xué)習(xí)的生理基礎(chǔ)的研究。因?yàn)樗纳窠?jīng)系統(tǒng)較

40、簡單，只包含20000的細(xì)胞，而且比起其他的來的大。左下圖是海蝸牛在鰓回縮反射的古典制約神經(jīng)傳導(dǎo)路徑。依活動決定的促發(fā)使得神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)釋放的增加是制約的發(fā)生機(jī)制。右圖是依活動決定的促發(fā)的分子步驟放大圖。由非條件制約引發(fā)仲介神經(jīng)元血清張素的釋放活化了感覺神經(jīng)元中的腺甘環(huán)化脢。而當(dāng)感覺神經(jīng)動作，會使得細(xì)胞內(nèi)的鈣離子增加。鈣與攜鈣素結(jié)合後，進(jìn)而與腺甘環(huán)化脢結(jié)合，會增強(qiáng)合成cAMP的能力。而cAMP會活化蛋白質(zhì)激脢，並導(dǎo)致釋放比正常時更多的神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)。（Ian Worpole ; Patricia J .Wynne）（三） 外顯性學(xué)習(xí)之研究： LTP 的研究就我們所知，人類的外顯性學(xué)習(xí)是在顳葉部分。

41、Mortimer Mishkin國家健康研究所的Squire, David G. Amara和加州大學(xué)的Stuart Zola-Morgan 的研究指出記憶的存儲關(guān)鍵是顳葉中的一個叫做海馬回的構(gòu)造。而海馬回的損傷將僅僅使新記憶的儲存發(fā)生障礙：例如像 H.M. 這樣的病人對於更早的事件仍然有的一個清楚的很好的記憶。海馬回似乎只是長期的記憶的臨時性存放處。海馬回對數(shù)月到數(shù)週中這一個時期的新近學(xué)習(xí)加以處理，然後將這些資訊傳送到腦部皮層的相關(guān)區(qū)域以進(jìn)行更長久的儲存。如同Patricia S 和 Goldman-Rakic 所說的那樣，記憶儲存在這些不同外皮區(qū)，並透過前額葉皮質(zhì)區(qū)的工作記憶區(qū)來加以傳達(dá)。

42、 1973年，在挪威奧斯陸Per Andersen實(shí)驗(yàn)室工作的Timothy Bliss和 Terje Lomo，首先說明海馬回中的神經(jīng)有為各種學(xué)習(xí)所需要的明顯的可塑性能力。他們發(fā)現(xiàn)海馬回中的神經(jīng)傳達(dá)路徑會在一段簡短而高頻率的訓(xùn)練之後使得突觸的強(qiáng)度增強(qiáng)。這樣的增強(qiáng)在一個被麻醉的動物身上能持續(xù)數(shù)小時，而在清醒，能自由移動的動物身上則能持續(xù)數(shù)天到數(shù)週。Bliss 和 Lomo 叫這種增強(qiáng)為長期增益效用 ( LTP )。後來的研究顯現(xiàn) LTP 在海馬回之內(nèi)不同類型的突觸有不同的性質(zhì)。我們在這裡將聚焦於關(guān)連增強(qiáng)的兩個相互作用的特性。首先是海伯前後關(guān)連的形式：為了促進(jìn)發(fā)生，相關(guān)的突觸前神經(jīng)元與突觸後神經(jīng)

43、元必須同時活動。第二， LPT 顯現(xiàn)出他的獨(dú)特性，它被限制在它被激發(fā)的路線之上。 為什麼對於 LPT 而言，突觸前神經(jīng)元與突觸後神經(jīng)元必須要同時活動？在海馬回中神經(jīng)主要的傳輸方式是以麩胺酸做為神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)。麩胺酸利用結(jié)合其目標(biāo)細(xì)胞上的麩胺酸接受器來引發(fā) LTP 。而這這當(dāng)中有兩種麩胺酸接受器：NMDA 接受器 和非NMDA 接受器。非NMDA接受器控制著大部分神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)，因?yàn)榕cNMDA 接受器有關(guān)的離子通道通常被由鎂所阻塞。只有在突觸後神經(jīng)元去極化時，通道才會打開。而 NMDA接受器通道最理想的活化情況需要二個信號（麩胺酸與接受器的結(jié)合和突觸後神經(jīng)元去極化）同時發(fā)生。而NMDA接受器關(guān)聯(lián)或偵

44、測同時性的性質(zhì)和腺甘環(huán)化酵素相同。但這種需要同時激發(fā)的特性，運(yùn)用外顯性學(xué)習(xí)比內(nèi)隱性學(xué)習(xí)更為合適。在 LTP 的產(chǎn)生看來突觸後神經(jīng)元的去極化，引發(fā)鈣的流入和次級信使激脢隨之活化。而 LTP 的維持，有一些研究者認(rèn)為與前突觸神經(jīng)元末端神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)的增加有關(guān)。這些研究者包括Bliss和他沙克研究所的同事John Bekkers 及 Charles Stevens，還有史丹佛大學(xué)的Roberto Malinow 和 Richard Tsien Roberto。如果 LTP 的產(chǎn)生需要突觸後神經(jīng)元事件 (透過 NMDA 接受器通道使鈣流入) 而 LTP 的維持涉及突觸前神經(jīng)元事件(神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)釋放的增加

45、)，Bliss認(rèn)為必須有一些訊息從突觸後神經(jīng)元送到突觸前神經(jīng)元。而這樣的想法令神經(jīng)生理學(xué)家產(chǎn)生一個問題。自從西班牙解剖學(xué)家聖地牙哥Santiago Ram6n y Cajal 首先提出了動力極化（dynamic polarization）的原則之後，每個化學(xué)突觸的研究都證明了訊息的流動是單向性的。訊息只從突觸前神經(jīng)元向突觸後神經(jīng)元流動。在 LTP 中，神經(jīng)細(xì)胞的溝通似乎需要一個新法則。這些鈣活化的次級信使，或是由鈣直接活化的方式，使突觸後神經(jīng)元釋放一個後向可塑性的成分。而這個後向可塑性的成分會擴(kuò)散到突觸前神經(jīng)元的末端，使其活化一個或一個以上的次級信使來促進(jìn)神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)的釋放，以維持LTP的發(fā)生

46、 參見下面的說明 。 在 LPT 中藉由非NADA 接受器通道的活動而使突觸後神經(jīng)元細(xì)胞膜產(chǎn)生去極化。 去極化減低了鎂對 NMDA 通道的封阻，使鈣能流入這個通道。鈣引發(fā)與鈣有關(guān)的激脢，而引發(fā) LTP 。突觸後神經(jīng)元釋放能夠滲透突觸前神經(jīng)元的膜的後向信使。 我們認(rèn)為這個後向信使（可能是一氧化氮 NO）可以增進(jìn)突觸前神經(jīng)元末端傳導(dǎo)物質(zhì)（麩胺酸）的釋放，也可能是guanylyl cyclase 或是 ADP-ribosyl transferase。 (Ian Worpole ) 與突觸前神經(jīng)元末端不同，突觸前神經(jīng)元末端有專門儲存神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)的囊泡和釋放的地點(diǎn)，突觸後神經(jīng)元的末端沒有這些特別的釋放器

47、。所以一個非常吸引人的說法是將後向信使想成一個需要時可以利用及合成的物質(zhì)，一旦合成便可以立刻擴(kuò)散出突觸後神經(jīng)元，穿越突觸間隙而到達(dá)突觸前神經(jīng)元末端。 1991 年四組研究人員獲得了一氧化氮 NO 就是後向信使的證據(jù)，分別是我們實(shí)驗(yàn)室的Thomas J， O'Dell 和 Ottavio Arancio；史丹佛大學(xué)的Erin M. Schuman 和 Daniel Madison；明尼蘇達(dá)大學(xué)醫(yī)藥學(xué)院的Paul F. Chapman和其同事；以及和法國的Georg Bohme和其同事。抑制突觸後神經(jīng)元一氧化氮的合成或吸收細(xì)胞外一氧化氮的空間阻止LTP的形成，都可用以說明一氧化氮能增強(qiáng)突觸

48、前神經(jīng)元神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)的釋放。在一連串海馬回切片一氧化氮的影響的研究中，我們和Scott A. Small 和 Min Zhuo得到了令人驚訝的發(fā)現(xiàn)：我們發(fā)現(xiàn)只有在與突觸前神經(jīng)元同時活化時一氧化氮才會產(chǎn)生 LTP ，這和海蝸牛古典制約時的依活動決定的突觸前促發(fā)作用是一樣的。突觸前的活動（也許是鈣流入），顯示出一氧化氮對形成LTP的重要性。這些實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)使LTP以兩個獨(dú)立，相聯(lián)的突觸學(xué)習(xí)機(jī)制加以結(jié)合：一個是Hebbian NMDA 接受器機(jī)制另一個是非Hebbian式的，依活動決定的突觸前促發(fā)機(jī)制。根據(jù)這個假設(shè)，突觸後神經(jīng)元中的 NMDA 接受器的活化產(chǎn)生了這個後向訊號(一氧化氮) 。 此時信號產(chǎn)

49、生了開始一個依活動決定的突觸前促發(fā)作用機(jī)制，這有利於突觸前神經(jīng)元末端神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)的釋放。突觸中的變化可以視為是內(nèi)隱性與外顯性學(xué)習(xí)的簡單區(qū)別。事實(shí)上，關(guān)連的突觸變化並不需要複雜神經(jīng)網(wǎng)路，而可能直接與學(xué)習(xí)的關(guān)連形式和基本的細(xì)胞性質(zhì)相對應(yīng)。而細(xì)胞性質(zhì)又源自於其獨(dú)特的蛋白質(zhì)性質(zhì)例如腺甘環(huán)化酵素和 NMDA 接受器分別會與制約刺激與非制約刺激這兩個獨(dú)立訊息作出回應(yīng)。當(dāng)然，這種關(guān)連刺激的分子機(jī)制並非獨(dú)立而彼此無關(guān)的。它們運(yùn)用細(xì)胞中多樣的機(jī)構(gòu)來完成複雜的使關(guān)連刺激。而細(xì)胞內(nèi)複雜的神經(jīng)網(wǎng)路，其所擁有的眾多，平行處理，計(jì)算的能力，也使這基本的機(jī)制增加了許多複雜性。 我們發(fā)現(xiàn)在海馬回中發(fā)生 LTP 的現(xiàn)象，而海馬

50、回又是被認(rèn)為是記憶儲存的重要區(qū)域重要，這使得研究者想知道是否 LTP 與腦的這個地區(qū)存儲記憶的過程有關(guān)。由愛丁堡醫(yī)學(xué)大學(xué)的Richard Morris所做的運(yùn)用空間記憶的研究可當(dāng)作例證。當(dāng)海馬回中的 NMDA 接受器阻塞時，被實(shí)驗(yàn)動物變的無法學(xué)習(xí)新的事物。這個實(shí)驗(yàn)認(rèn)為海馬回中的 NMDA 接受器機(jī)制，以及 LTP ，與空間學(xué)習(xí)有關(guān)。 （四） 長期記憶的形成：初始鞏固和穩(wěn)定建立長期記憶的過程可分為三個階段初始鞏固和穩(wěn)定。在這三個過程中均存在促成和抑制長期記憶的因素。初始階段時大腦接受外來刺激信號大腦中非神經(jīng)細(xì)胞(除了神經(jīng)細(xì)胞以外的有些細(xì)胞因位於神經(jīng)細(xì)胞之間又稱為神經(jīng)間質(zhì)細(xì)胞)釋放一種化合物叫血清

51、張素(Serotonin)。血清張素可與相關(guān)的神經(jīng)細(xì)胞結(jié)合使神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)發(fā)生一系列反應(yīng)最後產(chǎn)生兩個信使一個叫蛋白激脢(PKA)的分子進(jìn)入細(xì)胞核去激活促成長期記憶的分支。另一個叫絲裂原激活的蛋白激脢(MAPK)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)去破壞抑制長期記憶的分支。在鞏固階段中促成和抑制兩個方面的許多基因被激活。在這一階段中促成和控制兩者之間的平衡控制極為嚴(yán)格。這時抑制方面起著“關(guān)卡”的作用只有突出顯著的信息才被允許轉(zhuǎn)為長期記憶。不重要的背景或“雜音”在此時過濾排除。從生物進(jìn)化的意義而言把對於生存重要的信息轉(zhuǎn)為長期記憶而不是儲存廢物。在穩(wěn)定過程中神經(jīng)細(xì)胞合成另外的蛋白質(zhì)促成神經(jīng)細(xì)胞突觸的生長和形態(tài)變化，使突觸之間

52、的接觸更為適宜有效和牢固，因而長期記憶。另外研究人員還在動物實(shí)驗(yàn)中觀察到：抑制長期記憶的基因在由多次間隔刺激引起得記憶過程中尤其重要。促成和抑制這兩個調(diào)節(jié)機(jī)製在被激活時有不同的發(fā)生動力學(xué)。正是由於它們不同的發(fā)生發(fā)展過程使得這兩方面的因素在間隔記憶訓(xùn)練中互相配合協(xié)調(diào)，達(dá)到長期記憶的目的。四、 腦神經(jīng)科學(xué)與認(rèn)知分子生物學(xué)研究對教育研究的意義由以上的腦神經(jīng)及分子生物學(xué)的發(fā)展可知，我們對大腦的瞭解已遠(yuǎn)多於十或二十年前了。然而由腦神經(jīng)及分子生物學(xué)對記憶、學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)瞭解勢必能帶給教育學(xué)者一些新的看見(Center for the Advancement of Reform in Education, 19

53、99 & Funderstanding, Brain-Based Learning, 1998)。在國外，已有學(xué)者提出brain-based learning以大腦運(yùn)作為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)理論，值得身為教育工作者的我們加以瞭解及探究。以下即介紹一些brain-based learning的一些原則及建議。與腦相容（brain-compatible）一詞最先由Leslie A, Hart（1983）所提出，他主張根據(jù)人腦如何處理訊息的研究結(jié)果，以及觀察人類自然學(xué)習(xí)行為的模式中，我們應(yīng)設(shè)計(jì)與人腦運(yùn)作模式與學(xué)習(xí)傾向相容之課程與教學(xué)。隨著腦神經(jīng)科學(xué)研究成果的累積與應(yīng)用之推廣，目前在美國已有多位學(xué)者提出

54、與人腦相容的教學(xué)理論。綜合多位學(xué)者的研究 (Hart, 1983； Gardner, 1985, 1991; Edelman, 1992; Sprenger, 1999; Sylwester, 1995; Goleman, 1995; Calvin, 1996a, 1996b ) ，發(fā)現(xiàn)腦相容教學(xué)理論依據(jù)如下：(李珀，2001)（一）豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境及有意義的學(xué)習(xí)將有助於學(xué)習(xí)人腦是先天的學(xué)習(xí)器官，以組型(pattern)、意義(meaning)之蒐集、連結(jié)、組串的方式處理訊息，永不停息，所以學(xué)習(xí)對它來說是自然而然的事。在安全、詳和、受鼓勵、積極的氣氛之中，加上新奇性與挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)內(nèi)容，人腦最能發(fā)

55、揮功能，反之，在感受威脅、不安全的氣氛之中，人腦會產(chǎn)生退縮(sownshift) 的現(xiàn)象，將不利於學(xué)習(xí)(Hart, 1983; Ross & Olsen, 1993; Caine, Caine, & Crowell, 1994)。所以，在教學(xué)時若能不拘泥於教室課堂，將學(xué)習(xí)環(huán)境拓展到如社區(qū)、校園、博物館等多元的學(xué)習(xí)環(huán)境，配合在真實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境中所面對的真實(shí)、挑戰(zhàn)性的問題來加以教學(xué)學(xué)習(xí)，將有助於學(xué)生大腦的吸收及學(xué)習(xí)。（二）自信且有興趣之學(xué)習(xí)動機(jī)的情緒反應(yīng)將有助於學(xué)習(xí)及記憶情感在有效學(xué)習(xí)中扮演很重要的角色。人腦研究顯示，人首先以情感，然後以理智去評價(jià)事物的重要性。往往人腦能記憶的事情，不

56、論遠(yuǎn)近，多是連同情感和情景一起記憶的。因此善用角色扮演、辯論、歌曲、遊戲、美麗的圖畫等等，都是資深老師的教學(xué)本領(lǐng)。把正面的情感和情景，注入重要的課題中，確能有助學(xué)習(xí)。課程統(tǒng)整既重視情感豐富的科目，如音樂；又重視以理智為主的科目，如數(shù)學(xué)。當(dāng)這些科目的老師互相交流和協(xié)作，學(xué)生便會學(xué)習(xí)得更為有效。情緒之好壞對記憶有加深及過濾的作用 (Goleman, 1995)，對於認(rèn)知與記憶的可產(chǎn)生之影響，Caine & Caine (1994) 綜合如下：(1)情緒會影響知識貯存於長期記憶中。(2)情緒能影響理性思考及本能的反應(yīng)模式。(3)帶有感性及情緒性之記憶最容易存入長期記憶中。教室氣氛的營造一直是

57、教學(xué)研究的一項(xiàng)課題。如今更有了腦神經(jīng)及分子生物學(xué)的生理基礎(chǔ)，使我們在進(jìn)行教學(xué)及研究時有了更有力的支持。而在教學(xué)時，如何能使學(xué)習(xí)者的情緒、動機(jī)保持在有利的學(xué)習(xí)狀態(tài)，也將是教師、學(xué)生值得注意的一個重點(diǎn)。（三）人腦以平行且多元的方式處理訊息多元智能之教學(xué)，將有助於學(xué)習(xí)(Gardner, 1991)。哈佛心理學(xué)家 Howard Gardner已經(jīng)証明，人擁有多種智能，確知的至少有七種：語言(linguistic)、數(shù)理邏輯(logical-mathematical)、空間 (spatial)、身體知覺(bodily-kinesthetic)、音樂 (musical)、人際 (interpersonal

58、) 及內(nèi)省 (intrapersonal) 等七種智能 (intelligences) 。這些智能在人腦內(nèi)都各佔(zhàn)獨(dú)特區(qū)域，並負(fù)責(zé)應(yīng)付完全不同本質(zhì)的問題。Gardner 的理論對教育有著重大的意義。每一個人的每一種智能發(fā)展速度不一，每個兒童都有他獨(dú)特的智能側(cè)面圖 (intellectual profile) 。人腦以平行、多元的方式，同時將大量及複雜的訊息，分散在各個不同的區(qū)塊加以處理(Calvin, 1996a, b)。因此在教學(xué)過程中擴(kuò)大學(xué)習(xí)探索體驗(yàn)的機(jī)會，以激發(fā)多元智能。腦學(xué)習(xí)（brain-based learning）與多元智慧的研究結(jié)果顯示，以往學(xué)科分立模式並不符合人們的真正學(xué)習(xí)歷程，主張好的教學(xué)便是合諧地結(jié)合（orchestrate）學(xué)習(xí)者的腦所能運(yùn)作的所有層面之經(jīng)驗(yàn)，以讓學(xué)習(xí)者能從中萃取理解與意義（Caine Caine，1991）。以往的學(xué)習(xí)均偏向於